桁架拱桥教材

桁架拱桥◆

主要类型及构造特点◆施工特点◆计算原理

桁架拱桥又称拱形桁架桥。桁架拱桥的承重结构，是由上、下弦杆，腹杆以及跨中由上、下弦杆靠近而形成的实腹段所组成的桁架拱片。桁架拱的拱上结构与拱肋溶为一体共同受力，整体性好；桁架部分各杆件主要承受轴向力，具有普通桁架受力特点；实腹段具有拱的受力特点，拱的水平推力减少了跨中弯矩，使跨中实腹段在恒载作用下，主要承受轴向压力；在活载作用下将承受弯矩，成为偏心受压构件。桁架拱综合了桁架和拱的有利因素，以承受轴向力为主，可采用圬工材料修建，并能充分发挥圬工材料的特性。同时，拱上结构与拱肋已形成桁架，能充分发挥全截面材料的作用。与同跨梁相比，节省钢材较多。圬工用量与梁桥接近，但比同跨拱桥要少。因此，桁架拱受力是合理的，自重轻，用料少，适合软土地基上采用。一、主要类型及构造特点1.桁架拱桥的主要类型根据受力特性的不同分为下列几种类型：

●斜腹杆桁架拱●竖腹杆桁架拱●桁架肋桁架拱●桁式组合拱(1)斜腹杆桁架拱斜腹杆的桁架拱，各杆均承受轴向力，承载能力较大，是目前常采用的形式。由于斜杆角度不同，又分为斜压杆式，斜拉杆式和三角形式。(2)竖腹杆桁架拱优点是腹杆少，节点处交汇的杆件只有三根，钢筋布置和混凝土浇注方便，外形也较整齐。缺点是由于框架杆件以受弯为主，因此钢筋用量较大；由于节点的刚性，在荷载作用下，节点次应力往往导致竖杆两端开裂，目前采用较少。(3)桁架肋桁架拱桁架肋桁架拱是把拱肋做成桁架，上设立柱、桥面系，保留了拱上建筑。这种形式其优点是把拱肋改成桁架，减轻了拱肋重量，使吊装方便，适宜于无支架施工和较大跨径的桥上。其缺点是没有发挥拱上建筑的结构作用，没有体现桁架拱桥整体受力的特点，施工程序较多，较少采用。(4)桁式组合拱桁式组合拱与普通桁架拱的主要区别在于上弦杆断点位置不同。普通桁架拱的上弦杆简支于墩（台）上，上弦杆与墩（台）之间没有断缝（即断点），而桁式组合拱上弦杆却是在墩（台）顶部至拱顶之间适当位置断开，形成一条断缝（即断点），从断点至墩（台）顶部形成一个悬臂桁架，并与墩（台）固结，跨间两断点之间为一普通桁架拱，全桥下弦杆保持连续。从力学上看，相当于普通桁架拱支承于两端的悬臂梁上，从而形成拱梁组合体系，优化断点位置，一般在(0.5~0.6)处。2.桁架拱桥的构造特点

桁架拱桥一般均由上、下弦杆、腹杆、实腹段组成的桁架拱片，横向联结系和桥面三部分组成。

桁架拱片是桁架拱桥的主要承重结构。其各部分尺寸由以下原则确定：

(1)矢跨比，拱轴线；

(2)拱肋（下弦杆）、上弦杆、腹杆截面尺寸的确定；

(3)节间划分和节点构造；

(4)拱片间距及横向联结系；

(5)桥面及桥跨结构与墩台的连接。(1)矢跨比，拱轴线桁架拱的矢跨比愈小，桁架拱桥下弦杆轴力以及对墩台的推力就大。在直杆式桁架拱中，矢跨比愈小，竖杆较短，上、下弦杆与竖杆共同承受荷载的能力强，刚度大。在斜杆式桁架拱中矢跨比小时，腹杆短，节省材料，吊装重量轻；当矢跨比大时，推力小对墩台来讲可减少负担，但是，上部构造中腹杆加长，构造复杂，自重加大，吊装能力也要求更高。综合上述因素，桁架拱桥一般采用较小的矢跨比1/6~1/10。桁架拱桥的上弦杆轴线平行于桁架拱片的上边缘。下弦杆就是桁架拱的拱肋，其轴线在工程中可采用圆弧线、二次抛物线或悬链线。要同时满足拱顶（实腹段）和腹杆（空腹段）的受力的有利曲线，一般是不能实现的；当桥面为平坡时，可折中采用抛物线，但在设计计算中与施工放样中较方便的还是圆弧线，所以中小跨径中常采用圆弧线；对于较大跨径的桁架拱，为了受力有利，采用抛物线较多。(2)拱肋（下弦杆）、上弦杆、腹杆截面尺寸的确定；从理论上分析拱肋（下弦杆）的截面应沿跨径按受力的大小而变化，但为了简化施工，桁架拱拱肋通常采用沿跨径不变化的等截面形式。一般采用矩形截面。单孔桁架拱下弦杆截面尺寸一般采用：截面高截面宽式中为计算跨径。上述比值，大跨径时取小值。当桁架拱跨径较大时，为了减轻自重，下弦杆可做成箱形截面。上弦杆截面形式常与下弦杆相同，并且常采用矩形截面。当桥面采用微弯板时，上弦截面常采用倒T形。这样有利于桁架拱片与桥面联结成整体，并便于支承微弯板。一般上弦杆截面高，其中为拱肋（下弦杆）截面高。宽常取与下弦杆相同。上弦杆与桥面组合高度可根据上弦杆最大节间长度拟定，一般为设计荷载大时，则取大值。

跨中实腹段和桥面组合的截面高度称跨中截面总高。单孔桁架拱的跨中截面总高与桁架拱跨径、矢跨比、桁架拱片片数、荷载等级和混凝土标号等有关。由已建单跨桁架拱桥统计资料分析，得出以下与跨径和荷载等级有关的估算公式式中：－桥的净跨径(m)；－荷载系数。上式也可简单地取腹杆（斜杆和竖杆）截面高度可随杆件长度增加而加大。为使拱片在吊运中不致损坏，端腹杆的截面尺寸应比中间腹杆尺寸稍大。腹杆杆件截面宽一般与上、下弦杆宽度相同，也可较小。常取0.2~0.4m。(3)节间划分和节点构造为了保证上弦杆在局部荷载作用下的强度、刚度，上弦杆节间长度不宜过大。一般取：直杆式桁架拱的节间可按等间距布置。斜杆式桁架拱的斜杆内力与上弦杆夹角有关，夹角越小受力愈大，桁架变形也愈大。因此，斜杆与上弦杆的夹角一般控制在为宜。为了保证斜杆夹角在一定范围内，只有变动节间距离来适应斜杆的角度要求，节间长度自端部向拱顶递减，这样可使斜杆大体平行。一般跨径的桁架拱桥，最大节间长度不宜超过5m。采用过大的节间长度，会导致上弦杆截面的增大。拱顶实腹段长度是由于上、下弦杆太靠近而形成的，这就与下弦杆（拱肋）的曲线有关。拱陡时，实腹段可短。当拱坦时，实腹段可长。从受力上分析，实腹段的强度和刚度比桁架段大；从美观上看它们两段比例应匀称；从施工上看，加长实腹段将增加困难。综合上面各方面的因素，通常：桁架拱桥的节点是很重要的构造，其构造形式随着腹杆布置形式不同而异。但对于节点构造，要特别注意以下三个方面：

a)节点所有腹杆轴线应汇交于上弦杆或下弦杆（拱肋）的轴线上，否则因轴线偏离会产生局部弯矩。

b)为保证节点有足够的强度，腹杆主筋须伸过轴线交点，并按〈公路预应力混凝土桥梁设计规范〉规定，应有20d（对压杆）或30d（对拉杆）的锚固长度。

c)节点处各杆件汇交的夹角大多为锐角，需设置节点板，将锐角改为钝角，以避免应力集中。对于节点周边应设置节点包络筋（俗称元宝筋）。凡包络筋与弦杆主筋相交处，箍筋应加强以防止转角处开裂。节点范围内箍筋应适当加密，间距不大于100mm。直杆式桁架拱节点构造比斜杆式桁架拱节点构造简单，只要立柱（竖杆主筋）伸过上弦杆或下弦杆轴线即可。直杆式桁架拱由于结构特所决定，立柱两端易出现反向裂缝，因此，可在立柱两端设置承托予以加强。斜杆式桁架拱节点构造在桁架拱桥中施加预应力，有以下优点：

a)受拉杆件内采用了预应力，使受拉杆件在外荷载作用下仅发生很低的拉应力，甚至不出现拉应力，以保证在设计荷载下不出现裂缝。

b)桁架拱的轴线不明确，在设计上很难做到拱轴线与压力线相吻合。拱顶实腹段将出现较大弯矩，由于采用了预应力桁架拱桥，这个缺点也变得无关重要。

c)采用了桥面横向预应力对增大桁架拱片间距是有利的。

d)在合理的预应力布筋和正确的张拉程序下可以利用赘余力使某些杆件内力减少而得到补益。(4)拱片间距及横向联结系拱片的片数应根据桥梁的宽度、跨径、设计荷载等级及经济比较等方面因素考虑确定，当桥宽一定时，拱片数愈多，拱片的总用料量和预制安装的工作量就愈大，但桥面板跨径较小，桥面用料量减少；反之，如拱片片数减少，拱片的总用料也减少。桥面板跨径则相应增大，桥面用料量也增加。然而桥跨愈大，由于拱片增多，而增加的每延米桥长的桁架拱片材料用量就愈多，而桥面跨径的缩小，仅反映在桥面材料用量大小上与跨径大小无关。因此，跨径较大时，宜采用较大间距。目前，对于桥宽为净-7的双车道公路桥，跨径在20~-50m时，大都采用间距为2m左右的四片桁架拱片。对于桥宽不大的农村桥梁，大都采用2~3片桁架拱片。拱片间的横向联结系包括拉杆、横系梁、横隔板和剪刀撑。拉杆和横系梁分别设置在上、下弦杆的节点处，全跨对称布置。实腹段部分每隔3~5m应设置横系梁，当跨径较小时，横系梁可用拉杆代替。横系梁截面高度，应不小于其长度的1/15。当桁架拱片间距较大时，系梁两端与拱片联结处应加设承托。拉杆一般采用18mm以上的钢筋，两端以螺栓栓紧，拉杆外包混凝土防锈。横隔板设置在实腹段与桁架部分交界处和跨中。剪刀撑一般设置在四分之一跨径附近的上下节点之间以及跨径端部。较小跨径的桁架拱桥，可以不设端部剪刀撑。对于大跨径的桁架拱桥，除设置竖向剪刀撑外，还应沿桁架拱下弦杆曲面内设置一些平的剪刀撑，以加强桥梁的横向刚度。(5)桥面及桥跨结构与墩台的连接桁架拱桥的桥面通常由预制的横向微弯板和现浇混凝土填平层两部分组成。当桁架拱片间距大时，可采用大型空心板作为桥面。为了加强桥面与拱片的联结，对于微弯板桥面一般采用将上弦杆和实腹段截面设计成倒T形，并伸出锚固钢筋与微弯板伸出的钢筋相连，并浇注混凝土接头。空心板接缝间穿预应力钢筋，使桁架拱片与桥面结成刚劲的整体。微弯板桥面与上弦杆联接

桥跨结构与墩台的连接包括：下部支承处的连接和上部桥面部分连接。下部支承处的连接：对于中小跨径的桁架拱：在墩台与拱脚端面对应的部位（局部集中承压区域），应设3~5层钢筋网加强。在墩台帽上预留槽孔150~200mm长，将下弦杆的端头插入槽孔，四周用砂浆填塞。对于大跨径的桁架拱：下弦杆端头与墩台的连接宜采用较完善的钢筋混凝土铰。上部结构与桥台联接桥跨结构上部（即桥面）与桥台的连接，目前采用有过梁式和伸入式两种。过梁式就是在桥跨结构与桥台之间用过梁连接，形成桥台腹孔，过梁一般采用简支板形式。伸入式是把上弦杆的端部直接伸入到桥台顶面槽内，保证能伸缩而不致左右摆动。多孔桁架拱桥桥跨结构之间的连接，目前采用的有悬臂式、过梁式和伸入式三种。悬臂式是将相邻两跨桁架拱桥的上弦杆悬臂伸出，端面之间留有伸缩缝。过梁式在相邻两跨的上部结构之间搁置过梁，过梁一般也采用简支板。伸入式是将上弦杆伸入桥墩的预留孔中。三、计算原理简介桁架拱桥虽然是由多道横向联结系把各桁架拱片组成一个空间结构，但为了便于计算，在工程设计总都以一片桁架拱片作为计算单元。也就是将空间桁架结构简化为平面桁架进行计算的。而荷载在各种桁架拱片的不均匀分布，将按荷载横向分布系数来反映。

1.桁架拱桥的荷载横向分布；

2.桁架拱内力计算。1.桁架拱桥的荷载横向分布在一般不太宽的桁架拱桥（宽跨比小于0.5），只要布置得有较强的横向联结系的桁架拱，按横向分布系数与挠度成正比的近似关系，以实测挠度推算横向分布系数，其结果同按偏心受压法计算的横向分布系数接近。由此，对一般桁架拱桥均按偏心受压法计算横向分布系数，并以受力最大的边片桁架拱片内力进行设计。对于上弦杆承受局部荷载时的内力，考虑到上弦杆直接受力的不良影响，其荷载横向分布系数计算方法常偏安全地以杠杆法进行计算。对于宽跨比大于0.5的宽桁架拱桥，建议按“推力体系荷载横向分布”方法计算。2.桁架拱内力计算内力计算方法常采用的有近似计算方法和所谓的精确计算方法两种。(1).二铰桁架拱计算工程设计中，往往根据桁架拱的结构特点与受力特性，采取下列简化假设：

a)考虑拱脚处仅有一小段拱肋插入墩台的预留孔洞，跨端上弦杆比跨中实腹段刚度小很多，因而可视拱脚为铰接，由此，桁架拱为外部一次超静定的两铰桁架拱。

b)桁架拱各杆件以承受轴向力为主，杆件尺寸较小，可忽略各节点刚性对各杆件内力的影响（节点次应力的